濰北地區(qū)特殊近地表結(jié)構(gòu)對地震激發(fā)的影響分析

姚 江，徐 鈺，榮 毅，賈靜敏

（1.中國石油化工股份有限公司石油工程地球物理有限公司，北京100728；2中國石油化工股份有限公司石油工程地球物理有限公司勝利分公司，山東東營257068；3.中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司地質(zhì)科學研究院，山東東營257100）

勝利油田濰北灘涂區(qū)內(nèi)主要以近海灘涂地表為主，近地表為第四系沖積平原飽含水的泥沙介質(zhì)，具有明顯的灘淺海表層特性。由于多條河流從該處入海，相互作用導致低降速帶的速度、厚度和巖性縱、橫向變化非常劇烈。近年來，隨著地方工業(yè)的快速發(fā)展，這些區(qū)域內(nèi)建成了多個化工廠和大量的曬鹽池，為了獲得高濃度的鹵水，在灘涂地區(qū)連片分布有大量的鹵水井，由于多年大量抽取地下鹵水［1－2］，而地下水的補充過程非常緩慢，造成近地表流沙層和空穴廣泛分布，形成各種類型的低速體，導致地震勘探激發(fā)單炮記錄質(zhì)量差異較大，多次波和低頻干擾嚴重，信噪比偏低，能量偏弱，頻率分帶明顯且非常單一，嚴重影響地震資料品質(zhì)［3－12］。針對以上存在的近地表問題，以模型模擬和實驗室測試為手段，分析了不同低速體的大小和埋深、不同激發(fā)深度、不同圍巖介質(zhì)對激發(fā)的影響，探索適合濰北灘涂區(qū)特殊近地表結(jié)構(gòu)的施工方法。

1 近地表特征與低速體的形成

濰北地區(qū)為第四系沖積平原覆蓋區(qū)，膠萊河、濰河、虞河等多條河流從該地區(qū)入海，河流對近地表介質(zhì)特性有很大影響，尤其是濰河的作用相當明顯，濰河在這一狹窄區(qū)域內(nèi)左右擺動，形成巨厚的沖積扇體、淺埋古河道帶，以扇體為核心，向北呈指掌狀分布，基底頂面最深可達110多米。古河道沉積具有明顯的階段性，早期沉積物以粒度較大的中細砂為主；晚期沉積物以粒度較小、較連續(xù)的粉砂為主，沉積厚度大。每個階段下部均為不同粒級的砂質(zhì)沉積，其顆粒直徑自下而上呈越來越細的趨勢，縱、橫向差異非常明顯。

同時，在濰北地區(qū)近地表分布有濃度較高的鹵水層，多年來一直抽取近地表的鹵水用于曬鹽，該地區(qū)井位密集，井網(wǎng)最密可達20m×20m，井深一般為10～120m，總的井數(shù)在2×104口以上。圖1給出了濰北昌深1井區(qū)鹵水井的分布情況。由圖1可見，該區(qū)井位非常密集，呈連片分布。由于大面積抽取鹵水造成潛水面嚴重下降，介質(zhì)含水率大幅度降低，介質(zhì)密度減小，形成多個低速體，低降速帶厚度明顯增大，在平面上呈連片分布（圖2）。

圖1 濰北地區(qū)鹵水井分布

圖2 濰北地區(qū)低降速帶厚度（單位：m）

2 不同因素對地震激發(fā)效果的影響分析

2.1 低速體對地震激發(fā)效果的影響分析

由于近地表低速體的存在引起近地表的非均質(zhì)性，在地震勘探中容易產(chǎn)生多次干擾、近地表散射等［13－14］，造成有效信號能量損失。為研究低速體對地震激發(fā)效果的影響，首先根據(jù)該區(qū)近地表低降速帶速度和厚度，構(gòu)建簡單的近地表模型，在此模型的基礎(chǔ)上，增加不同大小、不同埋深的低速體模型，分析其對地震激發(fā)效果的影響。表1是通過近地表調(diào)查得到的濰北地區(qū)低降速帶速度和厚度參數(shù)表。利用表1給出的參數(shù)構(gòu)建了該區(qū)近地表模型（圖3），模型中黃色代表近地表1～3層，藍色代表第4層，紫色代表第5層。

表1 濰北地區(qū)近地表模型參數(shù)

2.1.1 不同低速體埋深的影響

由于鹵水井很多，且抽取鹽水的深、淺不同，從而在高速層中形成不同埋深的低速體。圖3是2個長度50m，厚度5m，速度350m／s，埋深分別為20和100m的低速體模型及其模擬激發(fā)記錄，激發(fā)深度均為30m，激發(fā)子波頻率70Hz。從模擬記錄分析，無論低速體埋藏深淺，初至波和反射波都產(chǎn)生大量多次波、次生干擾和散射；激發(fā)點位于低速體上方時，多次波能量較強，反射波能量減弱。但由于低速體較小，干擾能量較弱，有效波反射較清楚。圖3中紫色虛線為300m處地層反射。

圖3 不同埋深的低速體模型與模擬記錄

2.1.2 不同尺度低速體的影響

通常當?shù)退袤w較大時，大部分能量被低速體反射并形成多次波，目的層反射能量很弱，很難看到有效反射，低速體越大，這種現(xiàn)象越明顯。圖4是3個不同尺度的低速體模型及其模擬記錄。圖4a為長度50m，厚度5m的低速體模型；圖4b為長度150m，厚度20m的低速體模型；圖4c為長度550m，厚度20m的低速體模型。3個模型中低速體的埋深均為100m，速度均為350m／s。圖4中紫色虛線為300m處地層反射，黃色點線為低速體形成的干擾。由圖4可見，在激發(fā)井深均為30m時，低速體越大，干擾越類似地層反射，而有效反射能量越弱，多次波越發(fā)育。對比分析其它不同尺度低速體，也存在同樣規(guī)律。因此，在進行激發(fā)點位布設(shè)時，首先應該通過調(diào)整點位避開低速體，在低速體密集區(qū)實在無法避開時，也應盡量避開大型的空穴或低速體。

圖4 不同尺度的低速體模型與模擬記錄

2.1.3 不同激發(fā)深度的影響

不同激發(fā)深度對地震資料品質(zhì)的影響非常大，即在低速體的上方、中間、下方不同位置激發(fā)時差異極其明顯。圖5給出了長度為50m，厚度為5m，埋深為20m，速度為350m／s的低速體模型，當激發(fā)深度分別為10，20和30m時，模擬單炮記錄面貌明顯不同。圖5中紫色虛線為300m處地層反射；黃色點線為低速體形成的干擾。在低速體上方激發(fā)，即激發(fā)深度為10m時（圖5a），可以見到目的層的反射，同時，也可見多次波、散射等干擾；在低速體中激發(fā)，即井深為20m時（圖5b），地震資料品質(zhì)非常差，有效波完全被多次波、散射等干擾掩蓋，在低速體兩端形成能量較強的散射干擾；當井深達到30m，即在低速體下方激發(fā)時（圖5c），地震資料品質(zhì)最好，目的層反射波能量強，信息豐富，信噪比高，多次波較弱，是較理想的激發(fā)深度。因此，在設(shè)計激發(fā)井深時應選擇在低速體下方激發(fā)，即打穿低速體進行激發(fā)。

2.2 圍巖介質(zhì)對地震激發(fā)效果的影響分析

濰北地區(qū)發(fā)育的多條河流造成了該區(qū)近地表圍巖介質(zhì)特性差異很大，有粘土、沙土、砂等，抽取鹵水又形成了多個低速體，含水率也不一樣，導致近地表介質(zhì)結(jié)構(gòu)更加復雜。我們在實驗室模擬分析了介質(zhì)特性對地震激發(fā)效果的影響。根據(jù)濰北地區(qū)近地表結(jié)構(gòu)特征［15］，在實驗室構(gòu)建了粘土膠泥、濕沙土、干沙土、濕沙、干沙和空穴幾種模型，利用振動臺測試在相同激勵條件下，不同介質(zhì)模型中檢波器接收到的激勵響應振幅值。測試原理如圖6所示，測試結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看出，膠泥中的振幅明顯高于其它介質(zhì)，是最好的激發(fā)巖性；含泥沙土介質(zhì)優(yōu)于沙質(zhì)介質(zhì)；含水介質(zhì)優(yōu)于不含水介質(zhì)；存在空穴的介質(zhì)響應最差。

圖5 不同激發(fā)深度的低速體模型與模擬記錄

3 物理點點位布設(shè)與激發(fā)參數(shù)設(shè)計原則

圖8 濰北地區(qū)局部激發(fā)點位分布

在上述分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合濰北地區(qū)地表情況，首先在鹵水井分布比較密集的區(qū)域加密低降速帶調(diào)查點位，查清區(qū)域內(nèi)的表層結(jié)構(gòu)特征，根據(jù)調(diào)查結(jié)果確定了濰北地區(qū)點位布設(shè)和激發(fā)井深設(shè)計的3條原則：①激發(fā)點位布設(shè)盡量避開低速體，采用不規(guī)則觀測系統(tǒng)［16］對激發(fā)點位進行適當偏移，盡量將位于低速體上方的點位偏離鹵水井區(qū)域（圖8）；②打穿低速體，在其下方激發(fā)；③選擇粘土膠泥或含水介質(zhì)。結(jié)合表層結(jié)構(gòu)調(diào)查結(jié)果，依照上述3條原則，分區(qū)進行激發(fā)因素設(shè)計。無鹵水井區(qū)激發(fā)井深設(shè)計為13～15m，激發(fā)巖性為膠泥；鹵水井深度較淺的靶場區(qū)域激發(fā)井深采用20～27m的含水沙泥互層；鹵水井較深的鹽池區(qū)域激發(fā)井深設(shè)計為27～30m，選擇含水沙泥互層。圖9是濰北昌深1井區(qū)根據(jù)上述方法確定的激發(fā)深度分布圖，在鹵水井分布區(qū)域加大了激發(fā)井深進行激發(fā)。

圖9 濰北昌深1井區(qū)地震激發(fā)深度分布

4 應用效果分析

在濰北地區(qū)昌深1井區(qū)，通過合理加密低降速帶調(diào)查點、調(diào)整物理點位置、加大激發(fā)深度、優(yōu)選激發(fā)巖性等方法避開低速體的影響，地震資料品質(zhì)明顯改善，極大地減少了濰北地區(qū)普遍存在的低頻干擾。圖10給出了打穿低速體前、后的單炮記錄，由圖10可見，按照前期試驗確定的井深15m位于低速體上方，所獲得的記錄存在非常嚴重的低頻干擾和多次波；根據(jù)表層調(diào)查結(jié)果將井深調(diào)整為30m，打穿低速體后的記錄面貌清晰，頻率明顯提高，低頻干擾和多次波基本消除。圖11給出了通過井位調(diào)整避開低速體前、后的單炮記錄。由圖11可見，激發(fā)點位偏移后的單炮記錄多次波干擾明顯減弱，有效波反射能量、信噪比提高。圖12為昌深1井區(qū)某測線疊前時間偏移剖面，從剖面上看不到低速體的影響，剖面信噪比高，頻率過渡自然。

圖10 井深調(diào)整前（a）、后（b）單炮記錄（AGC）

5 結(jié)束語

通過模擬分析和實際應用研究，得到以下幾點認識：

1）濰北地區(qū)近地表的低速體造成地震波的吸收衰減、散射比較嚴重，產(chǎn)生大量多次波和低頻干擾，低速體越大，干擾越嚴重；

2）激發(fā)點深度與低速體埋深的位置關(guān)系決定地震資料品質(zhì)，在低速體下方激發(fā)資料品質(zhì)最好，在低速體中激發(fā)時產(chǎn)生的多次波、散射等干擾最嚴重；

3）選擇不同巖性激發(fā)，效果差異較大，膠泥中激發(fā)最好，含水介質(zhì)優(yōu)于不含水介質(zhì)，含泥沙土介質(zhì)優(yōu)于沙質(zhì)介質(zhì)，存在空穴的介質(zhì)中激發(fā)效果最差；

4）物理點點位設(shè)計宜采用較靈活的不規(guī)則觀測系統(tǒng)，井深設(shè)計應盡量打穿近地表低速體，優(yōu)選膠泥激發(fā)，以避開鹵水井及近地表低速體的影響。

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